I.T.I.S A. MEUCCI
- Firenze 2016
Meccanica, Meccatronica ed Energia – Trasporti e Logistica – Elettrotecnica, Elettronica ed Automazioni –
Informatica e Telecomunicazioni
Via del Filarete, 17 – 50143 Firenze Tel. 055-707011 – Fax. 055-700876
Sito Web: www.itismeucci.it – E-Mail: [email protected]
In collaborazione con
ELECTRIC-BIKE &
3C C.L.O.M.E.A &
TELONERIA DEGL’INNOCENTI
TRICICLO FOTOVOLTAICO A
PEDALATA ASSISTITA
CLASSE: 5°A Energia
ALUNNI: Corsinovi Viola, Gheri Lorenzo, Lari Alessandro, Pozzebon Alessandro, Rocchini
Claudio, Tarchi Matteo, Tempestini Riccardo, Vitagliano Stendardo Cristiano
DOCENTI: Fossati Alessio, Regina Cosimo, Saltarello Nicodemo, Giuseppe Zagara
TRICICLO FOTOVOLTAICO A PEDALATA ASSISTITA
SOMMARIO
C’ERA UNA VOLTA UNA BICICLETTA .................................................................................................................. 3
DIAGRAMMA DI GANTT..................................................................................................................................... 6
RILIEVO 3D DAL VERO E PROGETTO MODIFICATO ............................................................................................ 8
SMONTAGGIO PEDALI ..................................................................................................................................... 15
SMONTAGGIO DIFFERENZIALE ........................................................................................................................ 16
RIMONTAGGIO DIFFERENZIALE E SISTEMA FRENANTE POSTERIORE ............................................................. 18
IMPIANTO FRENANTE ANTERIORE .................................................................................................................. 23
MONTAGGIO MOTORE .................................................................................................................................... 24
FISSAGGIO COPRICATENA E PEDALI ................................................................................................................ 26
GPS................................................................................................................................................................... 28
CALCOLI PROGETTUALI PANNELLO ................................................................................................................. 29
IDEE COPERTURA 2D ....................................................................................................................................... 31
REALIZZAZIONE COPERTURA DEFINITIVA 3D .................................................................................................. 37
SUPPORTO ANTERIORE DELLA COPERTURA .................................................................................................... 41
PIEGATURA BARRE ALLUMINIO E REALIZZAZIONE COPERTURA DAL VERO .................................................... 42
REALIZZAZIONE CESTINO ANTERIORE ............................................................................................................. 43
REALIZZAZIONE E MONTAGGIO PANNELLO ARTIGIANALE.............................................................................. 44
PARTI MANCANTI PER LA REALIZZAZIONE DELLA COPERTURA....................................................................... 47
IMPIANTO ELETTRICO ...................................................................................................................................... 52
CARATTERISTICHE TECNICHE TRICICLO E SPESA COMPLESSIVA ..................................................................... 64
TRICICLO COMPLETATO ................................................................................................................................... 67
SPONSORIZZAZIONE TRICICLO TRA I VARI STUDENTI...................................................................................... 69
BOOK FOTOGRAFICO FINALE TRICICLO ........................................................................................................... 73
IL BELLO DELLA BICICLETTA ............................................................................................................................. 82
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C’ERA UNA VOLTA UNA BICICLETTA
Figura 1. EVOLUZIONE DELLA BICICLETTA NEL CORSO DEGLI ANNI
La bicicletta è un mezzo comune nella vita di tutti i giorni; è il mezzo di locomozione più utilizzato e
diffuso nel mondo. Come in ogni favola che si rispetti, si
inizia con il fatidico “c’era una volta”. Ebbene, c’era una
volta un genio, Leonardo da Vinci. Fu senza dubbio un
uomo avanti di un secolo rispetto ai suoi tempi, ideando
diverse macchine mosse dalla forza delle leve e da
quelle dell’uomo, risalendo così al Codice da Vinci dove
troviamo il primo disegno compiuto di un mezzo che
Figura 2. LA BICICLETTA DI LEONARDO
può essere definito “bicicletta”; era l’anno 1490. Questa
macchina non ha mai però superato la fase della tavola
da disegno.
Per la realizzazione vera e propria dobbiamo attendere
fino al 1791. Il Conte De Sivrac costruì un mezzo che
battezzò Célérifère; questo consisteva in una sorta di
bicicletta consistita in un cavallo di legno al quale si
sarebbero fissate due ruote. Montando in sella e
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Figura 3. IL CELERIFERE
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correndo si metteva il mezzo in marcia seguendo una linea
retta, poiché privo di sistema di direzione.
Dovranno passare altri trent’anni per avere un nuovo passo
tecnico che a noi deve apparire oggi semplicissimo, ovvero
l’aggiunta dello sterzo alla ruota anteriore. Fu un nobile
tedesco, il barone Karl Von Drais che, nel 1817, apportò una
modifica al congegno che verrà poi chiamata Draisina:
costituita da un telaio in legno, cerchioni in acciaio, sedile
Figura 4. LA DRAISINA
regolabile in altezza e con un peso di circa 22Kg.
Un fabbro scozzese, Kirkpatrick Mac Millan, riuscì ad applicare due manovelle all’asse della ruota
anteriore che venivano azionate da due pedali a leva; siamo
però nel 1861 in Francia, dove un costruttore di carrozze
Pierre Michaux pensò di applicare un mozzo con i pedali,
nascendo così il Velocipede, un mezzo meccanico quasi
simile a quello che troviamo oggi sulle nostre biciclette, con
mozzi, pedali, freni e manubrio. Era anche però una bici dalla
foggia particolare, con una ruota anteriore molto alta;
probabilmente l’idea di una bici così alta derivava dal fatto di
cercare di riprodurre il mezzo allora più diffuso, il cavallo, ma
la bici rimaneva comunque un mezzo ancora poco sicuro,
Figura 5. IL VELOCIPEDE
richiedendo una certa dose di equilibrio.
Nascono così le prime squadre e le prime gare di velocità, le prime scommesse, i primi cronisti degli
eventi e anche le prime gare al femminile. Siamo
nell’anno 1869. Le strade erano però piene di buche,
dissestate o lastricate da pietre irregolari che non ne
agevolavano lo scorrimento e di conseguenza il cavallo
continuava ad essere il Re delle strade e l’unico mezzo
concepibile, mentre la bici veniva considerata più come
sfizio della gente nobile.
Due inglesi, Sutton e Starley, che, nel 1877, fondarono
Figura 6. ROVER SAFETY
una casa costruttrice di mezzi meccanici dal nome Rover
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che immetterà poi sul mercato la Rover Safety, in tutto
molto simile alle bici di oggi, migliorata nel passare degli
anni con l’adozione della trasmissione a catena e dal
ridimensionamento delle ruote.
Con il passare del tempo le biciclette si sono evolute
sempre di più, come per esempio il primo pneumatico con
camera d’aria gonfiata a pressione e con involucro di tela e
strisce di gomma, brevettati nell’anno 1888; la nascita della
prima mountain bike alla fine degli anni ’70 e per poi
Figura 7. IL RAMPICHINO
arrivare in Italia nel 1985, con la nascita del Rampichino; è il nome di un volatile di piccole dimensioni
che si arrampica sugli alberi, e proprio per questa sua caratteristica di arrampicatore, il suo nome fu
dato alla prima mountain bike interamente italiana.
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DIAGRAMMA DI GANTT
Una prima fase per la realizzazione del nostro triciclo a pedalata assistita è stata quella di realizzare un
Diagramma di Gantt, permettendoci così di darci un’organizzazione temporale e suddividere le diverse
responsabilità delle fasi di realizzazione del progetto (vedi Figura 8).
Figura 8. DIAGRAMMA DI GANTT
Il Diagramma di Gantt è necessario soprattutto per darci un tempo limite nello svolgere determinati
compiti o lavori, in base alla priorità e alla fattibilità di questi. Durante le vacanze di Natale 2014 e nelle
due settimane che seguivano, ogni studente ha dovuto pensare e progettare singolarmente una
copertura per la bicicletta che comprendesse quante più possibili soluzioni tenendo presente anche i
vari obbiettivi imposti dal concorso. Nelle settimane seguenti il tempo è stato organizzato per il
montaggio del motore, della batteria e delle varie celle fotovoltaiche, tenendo sempre in considerazione
questi elementi anche nella progettazione della copertura, come vedremo in seguito. Durante il mese di
Febbraio tutta la classe ha dovuto svolgere gli stage per tre settimane in diverse aziende, e di
conseguenza quelle settimane non sono utilizzabili per quanto riguarda il progetto. Nei mesi di Marzo ed
Aprile si è deciso di realizzare la copertura definitiva, scelta comune di tutti noi studenti e professori,
cercando appunto di tener conto di tutti gli obbiettivi richiesti dal progetto. Con il termine
“presentazione” si intende una relazione ossia un documento che dimostri tutti i passaggi e tutte le
attività svolte in questi mesi. La fine del progetto è prevista con circa quindi giorni di anticipo, in caso di
problemi.
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Figura 9. DIAGRAMMA DI GANT MODIFICATO DOPO POSTICIPAZIONE
Ricevuta la comunicazione della posticipazione della consegna del progetto relativo al concorso,
abbiamo realizzato un nuovo diagramma di Gantt (Fig.9) in modo da consegnare il triciclo per il 30
Settembre 2015. E’ ovvio che la maggior parte dei lavori doveva essere portata a termine entro la fine
della scuola, onde evitare di ritrovarsi a scuola durante le vacanze estive; i lavori, o meglio il collaudo
finale ed il miglioramento degli ultimi particolari, riprenderanno a Settembre 2015.
Ricevuta un ulteriore notifica di posticipa della consegna non è stato realizzato un nuovo diagramma di
Gantt in quanto i lavori erano già terminati. Nei mesi successivi siano alla data di consegna prevista per il
22 Aprile 2016 sono stati svolti solo lavori minimali relativi a particolari estetici.
Si coglie l’occasione per sottolineare che in questi mesi il triciclo è stato mostrato in vari eventi quali gli
Open Day della scuola, le feste di fine anno ed in occasione di KLIMAHOUSE presso la Stazione Leopolda
di Firenze.
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RILIEVO 3D DAL VERO E PROGETTO
MODIFICATO
La partecipazione al concorso è stata resa possibile grazie alla disponibilità trovata nel titolare
dell’azienda Electric-bike di Firenze che ci ha fornito il triciclo di base su cui lavorare. Si trattava di
un mezzo “entry-level” dotato di un solo freno e senza nessun altro accessorio. (Fig.10)
Figura 10. TRICICLO DI BASE
Come prima fase realizzativa si è reso necessario avere a disposizione un modello CAD 3D del
triciclo in dotazione su cui progettare le possibili soluzioni tecniche.
Mediante l’uso del programma di disegno 3D SolidWorks il nostro triciclo è stato riprodotto nei
minimi dettagli. La prima parte realizzata è stata quella posteriore, considerata a partire dalla
flangia di collegamento per la chiusura rapida; la tolleranza stabilita per le quote fondamentali è
dell’ordine del millimetro. Per quanto riguarda il rilievo dal vero delle geometrie che presentano
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angolazioni, queste sono state ricavate mediante analisi d’immagine con l’aiuto di un software
specifico, “ImageJ”, risultato estremamente utile per l’ottenimento di misure angolari.
In un secondo momento è stato analizzato lo snodo del triciclo ed effettuato la reverseenigineering di tutte le altre parti. Anche in questo caso le varie angolazioni sono state misurate
indirettamente, come detto in precedenza, per mezzo di analisi d’immagine. Una volta terminato il
rilievo 3D le quote principali sono state riverificate confrontando le misure del modello 3D con
quelle reali.
Figura 11. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DEL TELAIO POSTERIORE
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Figura 12. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DI SNODO, CANNA E CANNOTTO
Per quanto riguarda la realizzazione del manubrio, questo è stato disegnato con una serie di
sweep e di estrusioni; per quanto riguarda le varie angolazioni sono state riprodotte in modo
approssimativ, poiché il disegno di questo pezzo si districa in tutte e tre le dimensioni spaziali ed
alcune angolazioni sarebbero state inutilmente complicate da determinare. In ogni caso, le quote
essenziali sono quelle degli ingombri massimi e piccoli errori geometrici sono tollerabili in quanto
non fondamentali nello sviluppo del progetto.
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Figura 13. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DEL MANUBRIO
I componenti principali del triciclo che permettono il movimento delle ruote sono i pedali e le due
corone. Attenendoci alla consegna del progetto, ovvero con l’intento di realizzare un triciclo con
pedalata assistita, siamo stati costretti a modificare la componentistica che era installata in un
primo momento sul nostro triciclo. Prima di procedere con il modificare la componentistica di
base, è stato realizzato un modello 3D del rocchetto dietro e del movimento centrale, compreso di
pedali e corona.
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Figura 14. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA
ROCCHETTO DIETRO
Figura 14.1 VISTA IN ASSONOMETRIA
ISOMETTRICA PEDALI E CORONA
Le ultime parti che siamo andati a realizzare sono la sella,il cassone e le ruote.
Figura 15. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA CASSONE
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Figura 16. VISTA IN ASSONOMETRIA
ISOMETRICA SELLA
Figura 17. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA RUOTA
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Dopo aver realizzato tutti i componenti del nostro triciclo, è stato possibile costruire un assieme,
potendo così disporre del modello 3D completo del nostro triciclo.
Figura 18. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA TRICICLO
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SMONTAGGIO PEDALI
Per quanto riguarda lo smontaggio dei pedali, sono stati necessari chiavi e strumenti specifici per
rimuovere i componenti originari della bicicletta, come ad esempio l’estrattore, le chiavi a tubo e
la chiave per smontare il movimento centrale specifico (vedi Figura 19).
Figura 19. STRUMENTI SPECIFICI
Figura 20. PEDIVELLE SOSTITUITE
Per prima cosa è stato utilizzato l’estrattore per rimuovere la pedivella sinistra; dopo aver rimosso
questa, è stata rimossa la pedivella destra e la corona, quest’ultima con la relativa guarnitura;
infine è stato rimosso il movimento centrale. Sono state inoltre sostituite le pedivelle nere con
altre di colore argento (vedi Figura 20).
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SMONTAGGIO DIFFERENZIALE
Il triciclo a pedali che è stato fornito da Electric Bike è dotato, a differenza di alcuni modelli
analoghi, di un differenziale. Questo dispositivo, impiegato specialmente nel settore
automobilistico ed in quello dei trasporti, consente di evitare lo slittamento dovuto alle differenti
velocità periferiche dei pneumatici connessi sullo stesso asse di rotazione. Infatti, durante la
sterzata, la ruota esterna alla curva gira più velocemente di quella interna: ecco perché un
accoppiamento solidale di queste ultime con un unico asse non costituisce la soluzione tecnica più
indicata.
Il triciclo originale, come già osservato, era dotato solo del freno anteriore. Ritenendo tale sistema
frenante non adeguato all’utilizzo, visto anche l’incremento di peso dovuto alle future modifiche,
si è pensato di migliorare l’impianto frenante introducendo un ulteriore freno a disco solidale al
differenziale per poter consentire di trasferire la forza frenante su entrambe le ruote posteriori. Si
è quindi reso necessario smontare il differenziale.
Il differenziale si presenta come un cilindro metallico cavo, dentro il quale sono presenti dei
rotismi a coppia conica, in grado di trasferire il movimento rotatorio fra assi perpendicolari tra
loro.
L’installazione del suddetto freno a disco non può realizzarsi senza lo smontaggio di questo
componente, al quale segue l’estrazione del semiasse di interesse (in questo caso quello sinistro),
dal vincolo dei cuscinetti, dei seeger e degli o-ring.
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Figura 21. DIFFERENZIALE
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RIMONTAGGIO DIFFERENZIALE E SISTEMA
FRENANTE POSTERIORE
Il montaggio del freno a disco ha richiesto la progettazione di un adattatore. Dopo la
progettazione 3D del pezzo e la relativa messa in tavola del pezzo con tutte le quote, siamo passati
alla lavorazione mediante tornio e trapano; il materiale utilizzato è un acciaio C40.
E’ stato
realizzato al tornio parallelo un adattatore disco-differenziale il quale permette di
sfruttare al meglio il disco frenante, per poterlo collegare nel modo giusto all’attacco del
differenziale.
Figura 22. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA ADATTATORE DISCO DIFFERENZIALE 3D
La prima fase di lavorazione al tornio è stata l’attestatura, ovvero si asporta del materiale dalla
faccia sporgente del pezzo; dopo la sfacciatura viene forato il pezzo dalla parte lavorata e si
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inserisce la contropunta che riduce al minimo lo spallettamento del pezzo in fase di lavorazione.
Fatto questo, si prosegue con l’operazione di sgrossatura attraverso il quale si raggiunge un
diametro finito di 76mm.
Si prosegue effettuando la seconda sgrossatura seguita dalla realizzazione di una gola di scarico
che servirà per accedere agevolmente alle viti della flangia del differenziale; utilizzando
successivamente il tappo mobile, si fora il pezzo con una punta da 20 per creare l’alloggiamento
per l’albero di collegamento con la ruota. E’ inoltre necessario forare la flangia di diametro 76 per
gli alloggiamenti delle viti del differenziale, ripetendo poi la stessa operazione facendo sei fori
sull’altra parte del pezzo per le viti del freno a disco; questi ultimi devono poter essere maschiati
per potervi inserire le viti.
Figura 23. ADATTATORE FRENO A DISCO
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Una volta realizzato l’adattatore si è proceduto al rimontaggio.
La forza frenante che quest’ultimo è in grado di sviluppare è notevole, caratteristica praticamente
indispensabile se si considera che il triciclo, il passeggero e l’eventuale carico possono superare la
massa di 150 Kg.
Figura 24. IMPIANTO FRENANTE POSTERIORE
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Figura 25. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DEL DIFFERENZIALE
Figura 26. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DEL FRENO A DISCO
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Figura 27. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA DELL’IMPIANTO FRENANTE POSTERIORE
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IMPIANTO FRENANTE ANTERIORE
Precedentemente si è fatto riferimento alla scarsità dell’equipaggiamento di serie del veicolo,
soprattutto in termini di frenata. Il sistema frenante infatti, prevedeva un’unica coppia di elementi
frenanti anteriori, mentre posteriormente le ruote potevano girare liberamente; carenza risolta
installando un impianto a disco.
Per aumentare la sicurezza del triciclo durante il movimento, si è pensato di migliorare
ulteriormente la frenata, agendo stavolta sul sistema frenante anteriore. Data la presenza di un
sistema di tipo Cantilever, nettamente antiquato, sfruttando gli stessi attacchi al telaio si è optato
per l’installazione di due leve V-Brake di più recente concezione (vedi Figura 28). L’impiego di
queste ultime determina, a parità di intensità di frenata sui comandi, un netto aumento della forza
frenante applicata alla ruota. Per essere una modifica quasi a “costo zero”, il veicolo ha acquistato
senza dubbio maggiore affidabilità ed è stato reso in un certo senso al passo con i tempi.
Figura 28. LEVE V-BRAKE
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MONTAGGIO MOTORE
Per la pedalata assistita, la ditta Electric Bike ci ha fornito un kit SO3+.
Figura 29. KIT SO3+ PER PEDALATA ASSISTITA
Prima di fissare il motore, sono state eseguite varie prove per decidere la posizione che fosse più
giusta. E’stato necessario inserire una sottile lastra di rame per favorire il corretto centraggio del
movimento centrale ed evitare giochi eccessivi. Successivamente il motore è stato fissato,
seguendo le istruzioni del manuale.
Insieme al kit del motore, era necessario montare i vari componenti di controllo quali un piccolo
pannello di controllo ed il sensore per il rilevamento della velocità di rotazione delle ruote; in
questo caso il contachilometri serve per impedire l’intervento del motore quando la velocità
supera i 25km/h (come da normativa). Per il montaggio di questo, è necessario fissare il sensore
sulla forca anteriore del triciclo con delle fascette e di conseguenza viene montato il magnete su
uno dei raggi della ruota in corrispondenza del sensore.
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Infine è stato necessario effettuare tutti i cablaggi elettrici cercando, quando possibile, di
nascondere i cavi elettrici.
Figura 30. FISSAGGIO MOTORE
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FISSAGGIO COPRICATENA E PEDALI
Una volta montato il motore, si è provato a rimontare il paracatena; lo spessore del motore era
però superiore rispetto a quella di partenza e non tornando quindi i fori corrispondenti, si è stati
costretti a tagliare un pezzo del supporto per il paracatena. Con questa leggera modifica, abbiamo
guadagnato pochi centimetri che ci hanno permesso di far ruotare la staffa e portarla quindi nella
posizione giusta.
Figura 31. COPRICATENA
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Figura 32. SUPPORTO COPRICATENA
Dopo aver fissato il motore, sono state fissate le pedivelle nuove in alluminio, in sostituzione a
quelle vecchie nere, e sono stati rimontati i pedali.
Figura 33. PEDIVELLE
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GPS
Uno degli aspetti che talvolta fa rinunciare all’acquisto di una bicicletta a pedalata assistita è la
paura del furto. In tal senso si è pensato di inserire un apparecchio GPS grazie al quale il
proprietario possa conoscere la posizione del suo mezzo di trasporto. Si è scelto di installare un
GPS che funziona con una normale SIM per cellulari; questo dispositivo invierà automaticamente
un messaggio contenente la sua posizione in risposta ad un messaggio o ad una chiamata dal
cellulare. L’apparecchio può essere nascosto dentro il cruscotto anteriore, dentro la cassetta
elettrica posteriore o in quella sotto il telaio.
Figura 34. GPS
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CALCOLI PROGETTUALI PANNELLO
Una bicicletta “green” non sarebbe tale senza l’installazione di celle o pannelli fotovoltaici per
ricaricare la batteria che andrà ad alimentare il motore.
Sono sta discusse diverse idee per quanto riguarda l’installazione dei pannelli. In base alla
copertura della nostra bicicletta, l’idea migliore, anche da un punto di vista estetico, è sembrata
quella di trovare dei pannelli non rigidi che vadano quindi a prendere la forma della copertura.
Uno dei principali problemi è stato il prezzo, troppo elevato per le nostre possibilità. Il secondo
problema è stato il voltaggio del pannello: questo deve garantire una tensione costante di 30V per
poter ricaricare la batteria. A causa di tutte queste problematiche, è stato deciso di convergere
verso una soluzione più economica; è stato quindi acquistato un innalzatore di tensione in grado di
incrementare il voltaggio fino ad un massimo di 19 V rispetto ai valori in ingresso di uscita del
pannello fotovoltaico.
Figura 35. INNALZATORE DI TENSIONE
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Avendo rinunciato ad un pannello flessibile commerciale, è stato deciso di acquistare
singolarmente delle celle fotovoltaiche per comporre il nostro pannello. Per raggiungere i 30V
necessari alla ricarica della batteria sarebbero state necessarie 60 celle fotovoltaiche dato che ogni
cella fornisce una tensione media di circa 0,5 V. Nel nostro caso sono state utilizzate 35 celle
ottenendo una tensione nominale di circa 18 V. Tale tensione viene poi inviata ad un apparecchio
per il controllo di carica delle batterie dopo aver subito il corretto innalzamento ad un valore di
circa 28 V mediante il suddetto booster di tensione. Si sottolinea che la copertura potrebbe
ospitare anche tutte le 60 celle, ma l’uso delle 35 celle e del booster ha consentito una minore
spesa oltre al fatto di rimanere nei limiti di potenza imposti per il pannello.
Figura 36. CELLE FOTOVOLTAICHE ACQUISTATE
Da un punto di vista tecnico ed estetico non è forse la migliore soluzione ma, a causa del budget
limitato e dei limiti imposti sulla potenza del pannello, è stato deciso di cambiare il nostro
progetto iniziale.
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IDEE COPERTURA 2D
Secondo quanto stabilito nel diagramma di Gantt, ciascun membro del team ha pensato ad una
copertura che potesse rispettare tutti i criteri imposti, o comunque richiesti, dal concorso.
Di seguito sono riportate le alcune bozze per la copertura.
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REALIZZAZIONE COPERTURA DEFINITIVA
3D
Prima di realizzare la copertura definitiva, abbiamo disegnato mediante il software 3D SolidWorks
2013 la copertura migliore.
Per quanto riguarda le dimensioni, ed in particolare l’altezza massima, sono state effettuate delle
prove mettendo a sedere il ragazzo più alto del team (1,80 m) e valutando l’ergonomia
complessiva per mezzo di un prototipo di intelaiatura di rame.
Figura 37. PROTOTIPO DI INTELAIATURA IN RAME
Di seguito sono riportate le messe in tavola relative alla copertura, soprattutto con i vari raggi e le
varie misurazioni necessarie per andare poi ad effettuare le varie curvature su delle barre di
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alluminio (lunghezza 6m). Le curvature sono state effettuate dall’azienda 3C C.L.O.M.E.A a
Scandicci.
Figura 38. SCHIZZO COPERTURA TRICICLO
Figura 39. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA COPERTURA TRICICLO
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Di seguito viene riportata una tabella nel quale sono inserite le varie misurazioni necessarie che
sono state utilizzate per la programmazione della macchina CNC che ha realizzato la piegatura dei
profilati in alluminio.
Tabella 1. PARAMETRI DI PIEGATURA
Figura 40. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA COPERTURA PARTE SINISTRA
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Figura 41. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA COPERTURA PARTE SINISTRA
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SUPPORTO ANTERIORE DELLA COPERTURA
La copertura del veicolo necessita di un supporto, montato nella parte anteriore dello stesso, al
fine di poter essere ancorata saldamente. Tale componente è stato appositamente progettato
mediante l’utilizzo del software SolidWorks 2013, mentre la sua realizzazione ha previsto più
lavorazioni.
Partendo dal taglio di alcune lastre di acciaio C40 con una sega a nastro, si sono realizzati
particolari sformi e smussi usando il flessibile tradizionale; infine, per unire le varie parti, è stata
utilizzata la saldatura ad arco. Il tutto si è svolto a scuola, durante le ore previste per dedicare al
progetto, per opera degli alunni sotto la continua osservazione dell’assistente tecnico-pratico del
laboratorio di meccanica.
Questo componente, pronto al montaggio, è risultato indispensabile al fine di effettuare
rilevazioni per la successiva realizzazione degli elementi di copertura.
Figura 42. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA SUPPORTO COPERTURA
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PIEGATURA BARRE ALLUMINIO E
REALIZZAZIONE COPERTURA DAL VERO
Per la realizzazione della copertura abbiamo fatto affidamento all’azienda 3C C.L.O.M.E.A di
Scandicci, un’azienda che progetta e realizza macchine per la piegatura di ogni tipo di materiale ed
effettua anche la piegatura di questi.
Ci siamo presentati in azienda con le varie misure già decise in classe ed anche realizzate sul
programma 3D SolidWorks, come si può vedere in Tabella 1.
Figura 43. BARRE DI ALLUMINIO PIEGATE
Per quanto riguarda il materiale, abbiamo utilizzato delle barre di alluminio lunghe 6m, perché si
tratta di un materiale molto leggero e più semplice da piegare.
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REALIZZAZIONE CESTINO ANTERIORE
Una normale bicicletta da passeggio, non sarebbe tale senza la presenza di un cestino posto in
corrispondenza della parte anteriore della stessa; ragione per cui è srato ideato e realizzato un
cestino da posizionare davanti al conducente, con lo scopo di agevolare il trasporto di oggetti di
valore e non, da potere tenere costantemente sotto controllo e a portata di mano.
Come piano di appoggio del cestino, è stato sfruttato il supporto della copertura precedentemente
costruito realizzando così la massima integrazione.
Figura 44. CESTINO ANTERIORE
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REALIZZAZIONE E MONTAGGIO PANNELLO
ARTIGIANALE
A seguito dell’acquisto di celle fotovoltaiche come precedentemente descritto, è stato realizzato
un pannello fotovoltaico artigianale da posizionare sulla copertura del triciclo, con lo scopo di
fornire un metodo di ricarica energetico alternativo per le batterie che andranno poi ad alimentare
il motore ed altre componentistiche che verranno successivamente descritte.
Il pannello fotovoltaico artigianale è stato realizzato in più fasi:
1. La struttura del pannello è stata decisa in base alle dimensioni della copertura su cui
successivamente questo sarebbe stato posto; le celle sono state divise in cinque file da sette
elementi, collegate in serie tra di loro, per garantire il voltaggio necessario, insieme
all’innalzatore di tensione precedentemente descritto (vedi Figura 35), per la ricarica delle
batterie.
2. Il collegamento in serie è stato realizzato tramite saldatura utilizzando dei “ribbon”
prestagnati. Le operazioni hanno comportato la preparazione delle singole celle e la loro
successiva connessione elettrica. Le operazioni di brasatura sono state effettuate decapando
le superfici metallizzate delle celle ed impiegando ulteriori paste per brasatura dove si
fossero incontrate difficoltà.
3. Come base delle celle fotovoltaiche è stato utilizzato un pannello di policarbonato alveolare
di 10mm di spessore dove sopra è stato posto uno strato di materiale isolante coibentato al
di sotto e riflettente al di sopra. Le celle preassemblate in gruppi da 7 vi sono state fissate
con del silicone trasparente. Prima di essere assemblate le celle sono state collaudate,
verificandone la conduzione elettrica e la tensione in uscita.
4. Al di sopra delle celle è stata messa una pellicola termo restringente sigillante, utilizzando un
phon industriale, con la capacità di far entrate le radiazioni solari necessarie al
funzionamento delle celle ed una buona durabilità nei confronti dell’ambiente esterno.
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Figura 45. ASSEMBLAGGIO CELLE FOTOVOLTAICHE
Figura 46. MATERIALE ISOLANTE E MONTAGGIO CELLE
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Figura 47. PELLICOLA TERMO RESTRINGENTE
Nella realizzazione del pannello fotovoltaico sono stati riscontrati vari problemi riguardanti la
rigidità e fragilità delle celle fotovoltaiche, in quanto queste sono molto delicate, e durante la
saldatura ed il loro montaggio si corre facilmente il rischio di danneggiarle.
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PARTI MANCANTI PER LA REALIZZAZIONE
DELLA COPERTURA
Lungo tutta la copertura del triciclo, sono state fissate delle barre di alluminio come quelle
utilizzate per la realizzazione della copertura, con lo scopo principale di andare a sorreggere
quest’ultima, ma hanno anche la funzione di fare da appoggio per gli altri componenti che vanno a
completare la copertura.
Queste barre di alluminio sono state fissate alla copertura grazie a delle valvole a forma di T
tagliate a metà, e poi forate e quindi fissate alle barre portanti della copertura.
Buona parte della copertura viene coperta dal pannello fotovoltaico artigianale, come descritto
precedentemente; davanti è stato fissato un pannello di plexiglass con spessore di 4 mm che ha la
funzione di parabrezza, con la possibilità di poterlo togliere in qualunque momento, dato che non
è stato fissato permanentemente.
Figura 48. PARABREZZA CON SPESSORE 4 mm
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Figura 49. PARABREZZA
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Per l’esattezza sopra la testa del conducente, è stato fissato un altro pannello di plexiglass. Budjet
e regolamento permettendo in questa parte si potrebbero integrare ulteriori celle fotovoltaiche in
modo da poter avere una potenza quasi adeguata a poter gestire direttamente il motore in
presenza di un alto livello di irraggiamento solare e di uno sforzo ridotto.
Per la parte posteriore, si era pensato ad un qualcosa di non fisso ma di facilmente removibile, con
la possibilità di poter usufruire del cestino posteriore anche se presente una sorta di copertura. Ci
è stato quindi offerto dall’azienda “Teloneria Degl’Innocenti”, un tendone in PVC, stesso colore
della bicicletta, che è stato fissato per quanto riguarda la parte superiore sotto il pannello
fotovoltaico, e per quanto riguarda la parte inferiore è stato lasciato libero, di modo che, grazie a
degli speciali ganci (grilli), possa essere sollevato, e rimanere tale, e/o rimosso in qualsiasi
momento.
Figura 50. TENDONE IN PVC
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Figura 51. GANCI PER IL FISSAGGIO DEL TENDONE
Figura 52. GANCI LATERALI SCORREVOLI PER IL TENDONE
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Figura 53. VISTA POSTERIORE TENDONE
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IMPIANTO ELETTRICO
Una parte fondamentale di tutti i veicoli, quindi anche del triciclo a pedalata assistita, è l’impianto
elettrico. Una buona parte dei componenti di natura elettrica installati sul mezzo sono destinati
alla gestione della corrente per alimentare il motore, sia che questa provenga dalle batterie (12 +
12 V = 24 V) che dal pannello fotovoltaico.
Figura 54. BATTERIE INSTALLATE SUL TRICICLO
Tuttavia, sarebbe assolutamente scorretto trascurare il reparto fanaleria, composto dai fari e dagli
indicatori di direzione, in quanto equipaggiamento obbligatorio sulla maggioranza di mezzi di
trasporto attualmente in circolazione.
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Innanzitutto è necessario ricordare che il triciclo in questione, appena uscito di fabbrica, era
dotato di luci di posizione e/o anabbaglianti sia anteriori che posteriori; l’alimentazione era
affidata ad una dinamo tradizionale, in grado di garantire una tensione di 6 V con una potenza di 6
W. Si presuppone che questo componente non è stato rimosso, né i fanali sono stati sostituiti,
l’impianto è stato esclusivamente migliorato, aggiungendo altri componenti da affiancare a quegli
originali. Nello specifico, è stato possibile alimentare i suddetti fari attraverso un circuito
secondario collegato ad una delle due batterie del motore; il passaggio da 12 V a 6 V è stato
realizzato grazie all’impiego dell’integrato L7806, appositamente progettato per questa
conversione dei valori della tensione.
E’ perciò possibile scegliere tra due condizioni di lavoro:
1. se le batterie sono cariche la fanaleria viene illuminata dalle stesse;
2. se le batterie sono scariche, allora si attiva la dinamo manualmente e si agisce su uno switch
presente sul manubrio che commuta dal circuito batteria–fari a quello dinamo–fari.
Va precisato che tale soluzione costruttiva, che esclude il perenne collegamento dei fari dalla
dinamo, è stata scelta al fine di migliorare la fluidità di erogazione del motore e, seppur di poco, la
durata delle batterie, in quanto di norma non è presente alcun attrito della ruota con il generatore
di corrente, che va attivato con l’esaurimento della batteria del motore.
Figura 55. DINAMO UTILIZZATA
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Figura 56. L7806
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Un altro componente dell’impianto elettrico di fondamentale importanza è la luce di stop, ovvero
un faro che si accende solamente durante la frenata. Questa proprietà è resa possibile grazie alla
presenza di un micro switch, posto in corrispondenza della leva del freno posteriore sul manubrio,
il quale appunto chiude il circuito e lascia passare corrente solamente quando viene fatto
“espandersi” fra il supporto della leva e la leva stessa, sintomo che indica una frenata in corso.
Le luci di stop sono costituite da due parti, ciascuna inglobata all’interno di due faretti per
biciclette; il lavoro più lungo di questa fase è risultato l’adattamento di tale faretto
dall’alimentazione con 2 batterie di tipo AAA da 1,5 V ai ben 12 V di una batteria che alimenta il
motore. Smembrato il circuito integrato originale, si è proceduto con la sostituzione con una
tavoletta mille fori ritagliata a misura, nella quale 3 led rossi sono connessi in serie con le adeguate
resistenze di protezione (470 Ω). A sua volta, i due faretti modificati vengono connessi in parallelo
ai capi della fonte da 12 V in modo che, anche in caso di guasto di uno dei due, sia sempre
presente la luce dell’altro, caratteristica non ottenibile invece da un collegamento in serie.
Figura 57. LUCE DI STOP + FRECCIA
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Figura 58. SCHEMA ELETTRICO FARETTO
Infine la parte più importante e più laboriosa da un punto di vista realizzativo, è stata
l’installazione degli indicatori di direzione; questi dispositivi di illuminazione vengono
generalmente collocati in corrispondenza degli estremi della sezione trasversale anteriore e
posteriore dei veicoli, in modo da manifestare preventivamente l’intenzione di effettuare una
svolta. A tale scopo, queste luci sono collegate ad una fonte di corrente che deve essere
temporizzata (in genere con intervalli pari a mezzo secondo), la quale passando da un apposito
selezionatore presente sul manubrio, cioè uno switch deviatore, viene indirizzata al reparto di
illuminazione destro oppure sinistro.
Auto, scooter ed altri mezzi a motore sono equipaggiati con un flasher, cioè un relè che
interrompe la corrente al fine di realizzare un lampeggio ogni mezzo secondo. Nonostante si
disponesse di questo componente e che la sua tensione di esercizio sia proprio 12 V, non è stato
possibile installarlo perché la potenza richiesta dal relè per il suo funzionamento è di 10 W, valore
troppo difficile da raggiungere in abbinamento a delle frecce a led, quelle ricavate dalla modifica
dei faretti utilizzati per la luce di stop; abbiamo quindi optato di ricorrere ad Arduino, un micro
controllore programmabile tramite software, sul quale è stato compilato e scaricato il seguente
sketch.
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Figura 59. ARDUINO
Figura 60. SKETCH ARDUINO FRECCE
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Alimentando Arduino con una batteria da 9 V, esso è in grado di fornire una tensione di uscita pari
a 5 V ai capi della massa e di due pin selezionati, in questo caso il numero Digital1 e Digital2, i quali
sono ponticellati insieme. Da qui si arriva al deviatore, che si occupa della scelta della direzione di
svolta, nonché dello stabilire quale dei due rami del circuito alimentare.
Analogamente a quanto fatto per i dispositivi posteriori, anche le frecce anteriori sono ricavate
adattando due faretti da uso ciclistico: in particolare, per ridurre l’assorbimento di corrente, si è
passati per ogni faro da una configurazione di 5 led ad altissima luminosità connessi in parallelo, a
2 led tradizionali collegati in serie. La tonalità giallo ambra è stata fornita da un filtro di luce
realizzato con delle speciali pellicole del medesimo colore.
Figura 61. FANALERIA PRESENTE SUL TRICICLO
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Figura 62. SCHEMA ELETTRICO FRECCE
In aggiunta alle molte migliorie che sono state apportate al triciclo, è stato aggiunto un clacson
(vedi Figura 63), posizionato davanti alle batterie sotto il faro.
Figura 63. CLACSON
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Questo è alimentato a 12 V e funziona tramite un blocchetto di un motorino (vedi Figura 64).
Attraverso il blocchetto è possibile comandare l’intero sistema elettrico, infatti, attraverso
l’interruttore luci, il quale è stato adattato ad interruttore generale, è possibile interrompere
l’afflusso di corrente del 12 V. Il pulsante rosso è collegato al clacson, mentre il blocchetto frecce è
collegato appunto, alle frecce.
Figura 64. BLOCCHETTO
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Come in ogni veicolo che si rispetti, risulta indispensabile installare un pannello di controllo sul
manubrio del triciclo. Come si può vedere nell’immagine sottostante (Figura 65), sono presenti due
display, due interruttori bistabili ed un nottolino per selezionare tre possibili visualizzazioni che
verranno descritte successivamente.
Figura 65. IMMAGINE CRUSCOTTO
1. Interruttore generale.
Questo
interruttore
bipolare
interrompe
l’alimentazione
delle
batterie
isolandole
completamente dal resto del circuito. Prima dell’interruttore sono stati posti due fusibili
rispettivamente sul polo positivo e su quello negativo in modo da proteggere i circuiti a valle
da eventuali sovracorrenti.
2. Interruttore voltmetro.
Questo interruttore permette di accendere o spengere il voltmetro con display digitale su cui il
conducente può visualizzare le tensioni più importanti del circuito elettrico (descritte al punto
3). Di per sé il voltmetro ho un consumo ridotto, tuttavia per poter funzionare correttamente
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necessita di una massa propria e non di quella dell’impianto, per cui deve essere alimentato
con una pila da 9 V. Al fine di non lasciare accesa inutilmente la strumentazione, si è reso
necessario l’impiego di tale interruttore che deve essere posto su OFF quando non serve
conoscerne la misura.
3. Selezionatore.
Un nottolino si trova al centro del cruscotto, il quale ci permette di andare a selezionare quale
misura vogliamo andare a conoscere; il nottolino permette di andare a leggere la misura di:
a. tensione in uscita del booster
b. tensione uscita pannello
c. tensione uscita batteria
4. Display.
Il display, che si accende con il tasto citato nel punto 2, ci permette di andare a visualizzare le
misure che abbiamo selezionato con il nottolino.
5. Contachilometri.
Un contachilometri ci permette di andare a conoscere la velocità a cui stiamo procedendo,
l’ora e quanti chilometri abbiamo percorso.
Qui di seguito si riporta la foto della scatola di ricarica posta nella parte posteriore della bici.
Figura 66. SCATOLA DI RICARICA POSTERIORE
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1. Selezionatore.
Questo selezionatore (Fig.67) permette di farci scegliere la metodologia della ricarica delle
batterie. Infatti si può scegliere se ricaricare tramite pannello oppure tramite rete elettrica.
Figura 67. SELEZIONATORE
2. Spinotto di ricarica.
Mediante questo apposito spinotto è possibile attaccare il triciclo alla rete elettrica e ricaricare
le batterie.
Lo schema elettrico del nostro triciclo, si può quindi così riassumere:
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Figura 68. SCHEMA ELETTRICO TRICICLO
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CARATTERISTICHE TECNICHE TRICICLO E
SPESA COMPLESSIVA
Come richiesto anche dal bando del concorso, il mezzo a pedalata assistita realizzato deve avere
determinate caratteristiche per potere anche regolarmente circolare su strada.
Una di queste caratteristiche, era rappresentata dal peso, che non poteva superare i 70 Kg; una
volta completato, il triciclo è stato pesato con delle normali bilance, una per ogni ruota, e sono
state fatte varie prove per verificarne l’esattezza, posizionando a rotazione ogni bilancia sotto ogni
ruota. Dalle misure, a meno dell’incertezza sperimentale si è potuto osservare un peso di 64 Kg.
Figura 69. PESATURA BICICLETTA
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Qui di sotto viene riportata una tabella realizzata sul programma di calcolo Excel, dove viene
sintetizzato all’incirca il peso complessivo del triciclo.
Tabella 2. PESO TOTALE TRICICLO
Per quanto riguarda la spesa complessiva del triciclo, di sotto viene riportata una tabella in file
Excel con ogni componente acquistato per la realizzazione di questo triciclo e di fianco viene
quindi riportata la spesa in euro; dal totale complessivo è esclusa la manodopera.
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TRICICLO COMPLETATO
Di seguito viene riportata la struttura portante del nostro triciclo nel suo complesso realizzata sul
software SolidWorks 3D.
Figura 70. VISTA IN ASSONOMETRIA ISOMETRICA TRICICLO
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Figura 71. VISTA LATERALE TRICICLO
Figura 72. VISTA DALL’ALTO TRICICLO
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SPONSORIZZAZIONE TRICICLO TRA I VARI
STUDENTI
In merito al concorso per il quale abbiamo lavorato per l’intero anno scolastico, il giorno 5 Giugno
2015 è stata realizzata un’intera giornata dedicata al mondo della bicicletta, in particolare di quella
elettrica, tra le varie classi delle specializzazioni di meccanica ed energia, con la gentile
partecipazione del direttore dell’azienda che ha fatto da sponsor a questo progetto, mettendo
anche a disposizione, per varie prove, diversi mezzi a pedalata assistita.
L’evento si è svolto con la presentazione del triciclo su cui abbiamo lavorato e al quale abbiamo
apportato le varie migliorie, soprattutto grazie alla proiezione di un video realizzato da noi, nel
quale venivano mostrati, mediante fotografie, i vari passaggi e le varie modifiche apportate nel
corso dell’anno scolastico. A fine presentazione è stato possibile per i ragazzi provare i diversi
mezzi a pedalata assistita, compilando successivamente un questionario con lo scopo di scoprire
quale mezzo a pedalata assistita tra quelli proposti fosse quello più apprezzato.
Il test drive è stato articolato in più parti, ciascuna dedicata ad un mezzo di trasporto diverso,
suddiviso a loro volta in sezioni associate alle diverse caratteristiche dell’esperienza di guida
appena effettuata.
Successivamente i dati sono stati letti e rielaborati, essenzialmente calcolando le medie
aritmetiche di tutti i risultati ( su un totale di 40 campioni) per ogni sezione, avvalendosi di un file
di tipo foglio elettronico. Utilizzando il medesimo software è stato possibile realizzare un grafico a
colonne.
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TEST DRIVE
TRICICLO
Esprimi il tuo giudizio da 1 a 10 riguardante:
MANEGGEVOLEZZA
[
]
SENSO DI SICUREZZA
[
]
FACILITA’ DI GUIDA
[
]
VALUTAZIONE COMPLESSIVA DEL TRICICLO
[
]
BICICLETTA CON SISTEMA SENSORE DI COPPIA
Esprimi il tuo giudizio da 1 a 10 riguardante:
MANEGGEVOLEZZA
[
]
SENSO DI SICUREZZA
[
]
FACILITA’ DI GUIDA
[
]
VALUTAZIONE COMPLESSIVA BICICLETTA
[
]
BICICLETTA CON SISTEMA SENSORE PAS
Esprimi il tuo giudizio da 1 a 10 riguardante:
MANEGGEVOLEZZA
[
]
SENSO DI SICUREZZA
[
]
FACILITA’ DI GUIDA
[
]
VALUTAZIONE COMPLESSIVA BICICLETTA
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[
]
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TRICICLO FOTOVOLTAICO A PEDALATA ASSISTITA
Esprimi inoltre il tuo giudizio da 1 a 10 riguardante:
GRADIMENTO EVENTO
[
]
Hai suggerimenti o domande da porre?
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Risultati del test drive
Valutazione
Maneggevolezza
Senso di sicurezza
Facilità di guida
Valutazione complessiva
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
5
triciclo
bici con sensore di
coppia
bici con sensore Pas
Figura 73. GRAFICO A COLONNA
Nel grafico a colonne riportato sopra, vengono indicate con colori diversi (vedi legenda) tutte le
parti sottoposte a giudizio nel test drive, inclusa una valutazione complessiva che, coloro che
avevano partecipato all’esperienza, erano tenuti a fornire. Per effettuare un confronto più rapido
e globale, è stata inserita una quinta colonna, con denominazione “giudizio finale”, la quale deriva
dalla media aritmetica delle quattro valutazioni precedenti e tiene quindi conto del loro differente
andamento intercettando una linea di mezzeria ideale.
Indipendentemente dalle discrepanze numeriche fra le varie componenti associate a ciascun
mezzo di trasporto, però, appare evidente come la bicicletta equipaggiata di un motore a pedalata
assistita dotato di un sensore di coppia si sia rivelato in assoluto il miglior ciclo fra quelli presenti
nella sede dell’evento. Questo risultato non gioca certo a favore del neo-nato triciclo a pedalata
assistita da noi realizzato; in ogni caso la scelta della tipologia di motore, che è la stessa del mezzo
più apprezzato, appare se non altro azzeccata e sicuramente migliorabile in vista di eventuali
future modifiche. Si può inoltre aggiungere che ovviamente per dei ragazzi il triciclo risulta un
mezzo mono appetibile rispetto ad una bicicletta classica a due ruote a conferma del fatto che il
target di mercato del triciclo non potrebbero essere i giovani.
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BOOK FOTOGRAFICO FINALE TRICICLO
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IL BELLO DELLA BICICLETTA
Marc Augé
“La bicicletta è quindi mitica, epica e utopica. E’ al centro di racconti che richiamano in vita la
storia individuale insieme ai miti condivisi dalla collettività; sono due forme di passato solidali,
capaci da conferire un accento epico ai ricordi personali più modesti.
Come sempre, il futuro si nutre di una consapevolezza chiara del passato. La bicicletta diventa così
simbolo di un futuro ecologico per la città di domani e di un’utopia urbana in grado di riconciliare
la società con se stessa.”
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